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世界首个人工再造真核生命体问世,三分之二中国造
送交者: 索探[首辅宰相★★★★★] 于 2017-03-11 8:34 已读 2131 次  

  昨晚,华大基因董事长汪建向新智元介绍:

  第一个人工再造真核生命体已经在华大基因及其合作伙伴的实验室里实现了。合成生物学是继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后,以基因组设计合成为标志的又一次突破。实现了基因组“读与写”的贯穿。该计划由美国发起,工作由中、美、英、法等多国共同协作承担,重新设计并化学合成真核生物酿酒酵母的全部16条染色体(1400 万个碱基,大小约为人体基因组的5%)。

  该项目已完成 5 条染色体的重新设计与合成, 其中,来自华大基因、天津大学、清华大学的中国科学家完成 4 条,占完成量的 66.7%。华大基因主导了二号染色体的设计与合成,在全项目中华大贡献占中国工作量的 54.7%,开发系列核心技术成为整个项目的关键基础)。合成基因成功导入酵母细胞。人工菌株展现出与野生型高度相似的生命活性。预示着人工合成在生物制造,包括医药、能源、环境、农业、工业等领域的无限前景,也为生命再造带来无限可能,也使得国家基因库的存、读、写功能得到完美体现。

  Science 封面专题:人类在理解生命的探索中实现重大突破

  在1996年,酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)被合成,酿酒酵母约有 12000 个碱基对,分为 16个染色体的序列,这在当时是一项重大的突破。

  16个酵母染色体的bioprint。将掺入特定色素基因的酵母印在琼脂平板上,酵母生长后就得到了这样的图像。上图图像凸显了合成染色体(黄色)和wild-type(蓝色)酵母染色体的生成。来源:Science

  现在,大约 20 年后,合成酵母基因组计划(Sc2.0)拿出了成果,研究人员合成了 5 个新的酵母染色体。这项成果让 Sc2.0 的最终目标——重新设计所有的 16 个酵母染色体,创建完全合成的真核基因组——大大往前推进了一步。

  今天,《科学》以封面专题的形式,将研究人员开发、设计、构造、测试和 curation 原则相关的进展报道了出来,所有这些技巧都可以扩展用于研究其他更大的基因组。

  基因组总是处于不断变化的状态中:它们很容易缺失、复制和插入;一直在重组和重排;也容易遭受由自体遗传元件如转座元件的侵入和破坏。 这些许多的变化都受自然选择的影响,导致基因组的组织构成不是基于效率或空间经济原理,而是取决于生物体的演化历程。

  为完成设计和化学再造完整的酿酒酵母基因组,国际科学界发起了酿酒酵母基因组合成计划(Sc2.0计划),这是合成基因组学(Synthetic genomics)研究的标志性国际合作项目。该项目由美国科学院院士杰夫·伯克发起,有美国、中国、英国、法国、澳大利亚、新加坡等多国研究机构参与并分工协作,试图重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体(长约12Mb,1Mb是百万碱基对)。

  Sc2.0 致力于解开酿酒酵母的基因组排序——酿酒酵母的基因组是所有真核基因组当中,被人类研究得最为完善的基因组。除了揭开基因组的排序的秘密,Sc2.0 还致力于将合成基因组的这一过程流程化(streamline),并且将基因组重组。

  研究人员的最终目标,是删除所有转座子和重复元素,重新编码 UAG 终止密码子,并将转移 RNA 基因移动到新的染色体而不导致健康缺陷,同时增加功能,辅助染色体的构建和操控。

  当 Sc2.0 完成时,最终的合成酵母菌株,将是我们人类对真核基因组理解的另一座里程碑。

  《人民日报》评价:“史无前例”,多项核心技术突破

  针对这一成果,《人民日报》也在第一时间进行了报道,并使用了“史无前例”一词来形容相关工作的影响及意义。

  这次《科学》杂志上名为“重构酵母基因组Sc2.0”的专刊上,一共刊发了中国科学家的 4 篇研究长文。实现了生物合成研究的最新突破:完成了 4 条真核生物酿酒酵母染色体的从头设计与化学合成——酿酒酵母总共有16条染色体,此前国际研究团队奋斗了多年,才发现了 1 条。

  根据《人民日报》的报道:在合成染色体的过程中,中国的科学家还突破了生物合成方面的多项关键核心技术,比如:突破合成型基因组导致细胞失活的难题,设计构建染色体成环疾病模型,开发长染色体分级组装策略,证明人工设计合成的基因组具有可增加、可删减的灵活性,等等。这些技术将帮助在全世界的生命科学研究和相关实际应用中大显身手,其价值不可估量。

  《人民日报》说,国内外同行指出,这是继合成原核生物染色体之后的又一里程碑式突破,有望开启人类“设计生命、再造生命和重塑生命”的新纪元。

中国科学家代表,自左至右依次为:李炳志、戴俊彪、杨焕明、元英进、沈玥。来源:赵永新摄/人民日报中国科学家代表,自左至右依次为:李炳志、戴俊彪、杨焕明、元英进、沈玥。来源:赵永新摄/人民日报

  人工合成酵母染色体,意义何在?

  曾参与人类基因组测序计划的华大基因理事长杨焕明院士对《人民日报》介绍说,合成生物学(Synthetic Biology)是继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后,以基因组设计合成为标志的第三次生物技术革命

  杨焕明院士指出,生物学界内最重要的分类依据,既不是植物和动物,也不是多细胞和单细胞生物,而是以原核生物和真核生物来区分。“细菌、病毒等原核生物的基因组相对简单,而动物、植物、真菌等真核生物的基因(DNA)既丰富又复杂,通常会包含数亿甚至数十亿碱基对信息。同时,作为遗传物质的DNA通常被分配到不同的染色体中,而这些染色体又深藏在细胞核的特定区域。所以,合成一个真核生物的基因组是一项非常艰巨的任务。但是,如果生物学真正做到引领技术革命,合成真核生物基因组技术必将发挥非常核心的作用。”

  天津大学化工学院教授元英进是最早参与该计划的中国科学家,此次在《科学》期刊上以通讯作者身份发表了 2 篇论文。他告诉《人民日报》,与科学实验中经常使用的果蝇、斑马鱼一样,酿酒酵母是生物学研究中的“模式真核单细胞生物”。

  “如果说病毒基因组的合成开启了基因组化学合成研究,那么原核生物和真核生物基因组合成研究的不断突破,则初步实现了化学全合成基因组对单细胞原核生物和真核生物的生命调控。“酿酒酵母是第一个被全基因组测序的真核生物,大尺度的设计和重建酵母基因组是对目前酵母领域知识贮备的真实性、完整性和准确性的一个直接考验。化学合成酵母,一方面可以帮助人类更深刻地理解一些基础生物学的问题,另一方面可以通过基因组重排系统,使酵母实现快速进化,得到在医药、能源、环境、农业、工业等领域有重要应用潜力的菌株。

  在酿酒酵母设计与合成研究中,中国已由‘跟跑’转为‘并跑’,今后更有望‘领跑’

  2014年,Sc2.0已创建了一个单一的人工酵母染色体。此次国际合作,中外科学家共完成了 5 条染色体的化学合成,其中中国科学家完成了 4 条,占完成数量的 66.7%,把 Sc2.0计划向前推进了一大步。

  人民日报客户端记者赵永新,在他《4 篇论文齐上封面,开启“再造生命”新纪元》的文章里,对这项成果做了完备的报道。新智元现节选文章内容如下。

  由天津大学、清华大学和华大基因分别完成的这4篇长文,介绍了生物合成研究的最新突破。

  其中,元英进带领的天津大学团队完成了5号、10号(synV、synX)染色体的化学合成,并开发了高效的染色体缺陷靶点定位技术和染色体点突变修复技术;戴俊彪研究员带领清华大学团队完成了当前已合成染色体中最长的12号染色体(synXII)的全合成;深圳华大基因研究院团队联合英国爱丁堡大学团队完成了2号染色体(synII)的合成及深度基因型-表型关联分析。

  “人工合成基因组的尺度和复杂度的不断提升,向科学界对生物体运作方式以及生命本质的认知提出了越来越大的挑战。在基因组尺度的DNA合成中面临的一个巨大挑战,是定位人工基因组中影响细胞长势的序列,即缺陷(bug)。常规的排除缺陷(debugging)的方法有三种,都有费时耗力、效率不高的缺点。”元英进团队成员、“10号染色体”文章第一作者、天津大学博士生吴毅介绍说:在合成长达770kb(kb:千碱基对)的酿酒酵母10号染色体的过程中,我们创建了基因组缺陷靶点快速定位与精确修复方法,解决了全化学合成基因组导致细胞失活的难题。我们所得到的全合成酵母染色体具备完整的生命活性,能够成功调控酵母的生长,并具备各种环境响应能力。此方法在化学合成基因组研究中具有普适性,并且作为一种新颖的表型和基因组关联性分析的策略,有望显著提升我们对基因组结构和功能的认知。”     

  “5号染色体”文章第一作者、天津大学博士生谢泽雄说,在全面推进Sc2.0计划的过程中,我们建立了基于多靶点片段共转化的基因组精确修复技术和DNA大片段重复修复技术,解决了超长人工DNA片段的精准合成难题。同时,我们首次实现了真核人工基因组化学合成序列与设计序列的完全匹配,系统性支撑与评价了当前真核生物的设计原则。该技术的突破为研究人工设计基因组的重新设计、功能验证与技术改进奠定了基础。利用化学合成的酵母5号染色体定制化建立了一组环形染色体模型,通过人工基因组中设计的特异性水印标签实现对细胞分裂过程中染色体变化的追踪和分析,为研究当前无法治疗的环形染色体疾病、癌症和衰老等发生机理和潜在治疗手段提供了了研究模型。此外,我们发展了多级模块化和标准化基因组合成方法,创建了一步法大片段组装技术和并行式染色体合成策略,实现了由小分子核苷酸到活体真核染色体的定制精准合成。”

  清华大学的戴俊彪团队,则设计合成了12号染色体。在研究中,他们开发了长染色体分级组装的策略,即:首先通过大片段合成序列,在6个菌株中分别完成了对染色体不同区域内源DNA的逐步替换;然后利用酵母减数分裂过程中同源重组的特性,将多个菌株中的合成序列进行合并,获得完整的合成型染色体。针对12号染色体上存在的高度重复的核糖体RNA编码基因簇进行删除及工程化改造,并利用修改后的重复单元在基因组多个位点重建了核糖体RNA编码基因簇。“该工作奠定了未来对其他超大、结构超复杂的基因组进行设计与编写的基础,同时也证明了酵母基因组中rDNA(核糖体DNA)区域及其他序列均具有惊人的灵活度与可塑性。”戴俊彪表示。

  深圳华大基因研究院与英国爱丁堡大学共同完成2号染色体的从头设计与全合成(长770 Kb),合成酵母菌株展现出与野生型高度相似的生命活性。该论文的第一作者、深圳国家基因库合成与编辑平台负责人沈玥介绍说,科研人员使用“贯穿组学(Trans-Omics)”方法,从表型、基因组、转录组、蛋白质组和代谢组五个层次系统地进行基因型-表现型的深度关联分析,证明了人工设计合成的酿酒酵母基因组可增加、可删减的高度灵活性。”

  令人欣喜的是,华大基因与爱丁堡大学合成的酵母菌株,不仅与野生型有高度相似的生命活性,而且对环境的适应性大大加强,其进化速度呈几何级提高。在接受《人民日报》采访时,杨焕明这样说——

  “2000年公布的人类基因组测序,中国只承担了百分之一的工作,这次我们完成了酿酒酵母染色体合成的四分之一,可以说是中国在合成生物学领域取得的突破性成果,进一步奠定了我国在这一领域的国际地位。”杨焕明说,“两相比较,不难看出我们在生命科学研究领域的巨大进步。在酿酒酵母设计与合成研究中,我们已由‘跟跑’转为‘并跑’,今后‘领跑’也不是不可能。”

  Science 论文介绍:中国研究者已经从“跟跑”转为“并跑”

  最后,新智元为读者介绍发表在 Science 的相关论文。

  从下图中可见,Science 专题一共刊发了 7 篇论文实际上,所有 7 篇论文都有华人研究者参与。

下面,新智元在这里重点介绍其中的 5 篇。下面,新智元在这里重点介绍其中的 5 篇。

  将一段组装的物理序列与一段特殊设计的序列完美配对对于基因组合成中设计原则的检验至关重要。我们在“Build-A-Genome China”项目中,设计并且在实验室里合成了有536024碱基对的染色体synV,与设计的序列完美配对。我们校正了synV的初始分离以完全匹配设计的序列,该序列使用整合共转化和聚簇定期间隔短回文重复(CRISPR)/ CRISPR相关蛋白9(Cas9) - 介导,编辑共22步; 与野生型V菌株相比,synV菌株在各种培养条件下表现出高适应性 。我们构建了环synV衍生物,在酿酒酵母中,它在所有测试条件下功能都很完整的,并且在减数分裂期间表现出较低的孢子活力。 环synV染色体可以扩展Sc2.0设计原理,并提供了用于研究基因组重排、环染色体进化和人环染色体疾病的模型。

  这篇论文提出了770千碱基对合成酵母染色体II(synII)的成功设计、构建和表征。 我们的研究结合了多个层次的表征,包括表型、转录组学、蛋白质组学、染色体分离和复制分析,以提供合成染色体的一个彻底全面的分析。 我们的跨组学分析发现,在synII中观察到了一个翻译机制的适度但潜在相关的普遍上调,这主要由13个转移RNA的缺失引起。 通过互补测定和SCRaMbLE(合成染色体重排和由loxP介导的演变修改),在甘油培养基中,我们在温度为37℃的条件下定位和调试生长缺陷的起源,这与高同渗容摩甘油反应的错误调节有关。 尽管有微妙的差异,和天然菌株相比,synII菌株显示了高度连贯的生物过程 。

  调试基因组序列是成功构建合成基因组的必要条件。作为构建一个设计出的真核基因组(designer eukaryotic genome)努力的一部分,研究人员使用化学方法,合成了有707459个碱基对的酵母合成染色体X(synX)。 SynX在各种条件下表现出良好的适应性。我们开发了称为池PCRTag映射(PoPM)的高效映射策略,其可以推广到任何水印合成染色体,以鉴定影响细胞适应性的遗传改变(“bug”)。我们纠正了一系列的错误,包括具有复杂扩增的大区域,映射到FIP1中重编码序列的生长缺陷和影响ATP2的启动子功能的loxPsym位点。 PoPM是合成酵母基因组调试的强大工具,也是表型基因型映射的有效策略。

  我们设计并合成基于酿酒酵母中天然染色体 XII 的线性染色体synXII,synXII 含有 976067 个碱基对。SynXII 的合成经过了两步,也即 megachunk 整合和减数分裂重组介导的重组,成功制作出能够正常运作的染色体。通过引入单个 tRNA 基因的异位拷贝,弥补在synXII中检测到的由tRNA基因缺失引起的微小的生长缺陷。synXII上的核糖体基因簇(rDNA)在组装过程中保持完整,随后再被修饰过 rDNA 替代,后者用于在三个不同染色体位置重新生成 rDNA。

  尽管合成酵母基因组Sc2.0的设计相对于基因含量来说是非常保守的,但是几种类别的重复序列的缺失和数千种设计者改变的引入可能影响基因组组织并可能改变细胞功能。 我们在这篇论文里报告了Hi-C-determined的三维(3D)Sc2.0染色体的构象。重复的缺失导致了更平滑的接触模式和更精确地易处理的染色体构象,而大规模基因组组织在全局上不受合成染色体的存在的影响。 有两个例外,一是synIII,它缺乏沉默的交配型盒(silent mating-type cassettes);二是synXII,特别是当核糖体DNA被移动到另一个染色体时。 我们还利用接触图来检测在SCRaMbLE菌株引发的重排(合成染色体重排和由loxP介导进化的修改) 。

  值得一提,相关论文虽然没有公开发表,但 Science 在其“Structured Abstract”当中,将论文的摘要、背景、方法以及结论都介绍了出来,便于关注这一成果的非专业人士了解详情。大家可以去 Science 官网查阅。

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